ابداع روش جدید برای تبدیل هدررفت گرما به برق

محققان روشی جدید ابداع کردند که با تبدیل هدررفت گرما به برق می تواند بخشی از انرژی گرمایی تلف شده در آمریکا را که به طور تخمینی برابر با 100 میلیارد دلار است، جبران کند.

به گزارش تکناک، روش تبدیل هدررفت گرما به برق جدید که توسط کریس برتنس، محقق موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی امریکا (NIST) و همکارانش توسعه یافته است، شامل قرار دادن صدها هزار ستون میکروسکوپی از نیترید گالیوم در بالای یک ویفر سیلیکونی است. سپس لایه‌های سیلیکون از سطح زیرین ویفر جدا می‌شوند تا زمانی که فقط یک ورقه نازک از مواد باقی بماند. برهمکنش بین ستون ها و ورق سیلیکونی انتقال گرما در سیلیکون را کند می کند و باعث می شود گرمای بیشتر به جریان الکتریکی تبدیل شود. برتنس و همکارانش در دانشگاه کلرادو بولدر اخیرا این یافته ها را در مجله Advanced Materials گزارش کردند.

هنگامی که روش تبدیل هدررفت گرما به برق ورقهای سیلیکونی را می توان در اطراف لوله های بخار یا اگزوز پیچید تا انتشار گرما را به برق تبدیل کند که می تواند انرژی دستگاه های مجاور را تامین کند یا به شبکه برق متصل شود. یکی دیگر از کاربردهای بالقوه، خنک کردن تراشه های کامپیوتری است.

مطالعه NIST-دانشگاه کلرادو بر اساس یک پدیده عجیب است که برای اولین بار توسط فیزیکدان آلمانی توماس سیبک کشف شد. در اوایل دهه 1820، سیبک در حال مطالعه دو سیم فلزی بود که هر کدام از مواد متفاوتی ساخته و در دو سر آن به هم متصل شده بودند تا یک حلقه را تشکیل دهند. او مشاهده کرد که وقتی دو محل اتصال سیم‌ها در دماهای مختلف نگه داشته شدند، یک سوزن قطب‌نما در نزدیکی منحرف شد. دانشمندان دیگر به زودی متوجه شدند که انحراف به این دلیل رخ داده است که اختلاف دما باعث ایجاد ولتاژ بین دو منطقه می شود و جریان از ناحیه گرمتر به منطقه سردتر ایجاد می کند. جریان یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که سوزن قطب نما را منحرف کرد.

در تئوری، به اصطلاح اثر سیبک می‌تواند راهی ایده‌آل برای بازیافت انرژی گرمایی باشد که در غیر این صورت از بین می‌رفت. اما یک مانع بزرگ وجود دارد. یک ماده باید گرما را به خوبی هدایت کند تا اختلاف دما بین دو منطقه حفظ شود و در عین حال جریان الکتریکی را به خوبی هدایت کند تا گرما را به مقدار قابل توجهی انرژی الکتریکی تبدیل کند. با این حال، برای بیشتر مواد، رسانایی گرما و هدایت الکتریکی دست به دست هم می دهند. یک هادی حرارتی ضعیف باعث ایجاد هادی الکتریکی ضعیف می شود و بالعکس.

در مطالعه فیزیک تبدیل ترموالکتریک، نظریه پرداز محمود حسین از دانشگاه کلرادو کشف کرد که این ویژگی ها را می توان در یک غشای نازک پوشیده از نانو ستون ها (ستون های ایستاده از موادی که طول آنها بیش از چند میلیونم متر یا حدوداً یک دهم ضخامت موی انسان، بیشتر نباشد) تفکیک کرد. یافته های او منجر به همکاری با برتنس شد.

حسین، برتنس و همکارانشان با استفاده از نانو ستون‌ها موفق شدند رسانایی گرما را از رسانایی الکتریکی در ورق سیلیکونی جدا کنند. این اولین مورد برای هر ماده و نقطه عطفی برای تبدیل کارآمد گرما به انرژی الکتریکی است. محققان رسانایی گرمایی ورقه سیلیکونی را تا 21 درصد کاهش دادند بدون اینکه رسانایی الکتریکی آن کاهش یابد یا اثر سیبک را تغییر دهند.

در سیلیکون و سایر جامدات، اتم ها توسط پیوندها محدود می شوند و نمی توانند آزادانه برای انتقال گرما حرکت کنند. در نتیجه، انتقال انرژی گرمایی شکل فونون به خود میگیرد و باعث حرکت ارتعاشات جمعی اتم ها میشود. نانوستون‌های نیترید گالیوم و ورق سیلیکون، هر دو قادر به حمل فونون‌ها هستند. اما در صورتی که فونون‌ها در نانوستون‌ها قرار گیرند، آن‌ها به صورت امواجی با دیواره‌های ستون‌های کوچک ارتباط برقرار می‌کنند، تا مانند یک سیم ارتعاشی گیتار که در دو انتها ثابت نگه داشته شده است، به هم چسبانده شوند.

آنها حاملان نانوستون های نیترید گالیوم و همچنین فونون های ورق سیلیکون هستند. با این حال، آنهایی که در نانوستون ها قرار دارند، امواجی هستند که توسط دیواره های ستون های کوچک به همان شکلی که یک سیم ارتعاشی گیتار در دو انتها ثابت نگه داشته شده است، متصل شده اند.

برهمکنش بین فونون‌هایی که در ورقه سیلیکونی حرکت می‌کنند و ارتعاشات در نانوستون‌ها، سرعت فونون‌های در حال حرکت را کند می‌کنند و عبور گرما از مواد را سخت‌تر می‌کنند. این امر هدایت حرارتی را کاهش می دهد و در نتیجه اختلاف دما را از یک سر به سر دیگر افزایش می دهد. به همان میزان اهمیت، تعامل فونون این کار را انجام می دهد در حالی که هدایت الکتریکی ورق سیلیکونی را بدون تغییر باقی می گذارد.

این تیم اکنون روی سازه هایی کار می کند که تماماً از سیلیکون ساخته شده اند و هندسه بهتری برای تبدیل هدررفت گرما به برق دارند. محققان انتظار دارند نرخ تبدیل گرما به برق را به اندازه کافی بالا نشان دهند تا تکنیک خود را از نظر اقتصادی برای صنعت مقرون به صرفه کنند.